JPS6133658Y2 - - Google Patents
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- JPS6133658Y2 JPS6133658Y2 JP5411880U JP5411880U JPS6133658Y2 JP S6133658 Y2 JPS6133658 Y2 JP S6133658Y2 JP 5411880 U JP5411880 U JP 5411880U JP 5411880 U JP5411880 U JP 5411880U JP S6133658 Y2 JPS6133658 Y2 JP S6133658Y2
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Description
【考案の詳細な説明】
本考案は光フアイバを伝送路とする通信、即ち
光フアイバ通信用の光半導体素子に属する双方向
性電気・光変換素子の改良に関するものである。
光フアイバ通信用の光半導体素子に属する双方向
性電気・光変換素子の改良に関するものである。
近年、光フアイバ通信は光フアイバの電磁無誘
導性、軽量性、低伝送損失特性などが注目されて
種々の用途に急速な実用化が進められている。発
光受光兼用半導体素子は、光フアイバ通信装置で
使用されている発光素子、例えば発光ダイオード
と受光素子、例えばフオトダイオードの機能を一
個の素子で兼用して賄い、かつ時分割方式で一本
の光フアイバを往復双方向に有効利用することを
可能とするものである。発光受光兼用半導体素子
は双方向分離用光回路を用いないで一本の光フア
イバを双方向に利用可能とすることの他、発光素
子と受光素子の二つの部品を一つの部品で置換し
かつ関連の光部品点数を著しく低減するなどの利
点をもち、とりわけデータ伝送用の光送受信装置
を簡易化及び経済化する要の素子として注目を集
めて、従来から開発が進められていた。
導性、軽量性、低伝送損失特性などが注目されて
種々の用途に急速な実用化が進められている。発
光受光兼用半導体素子は、光フアイバ通信装置で
使用されている発光素子、例えば発光ダイオード
と受光素子、例えばフオトダイオードの機能を一
個の素子で兼用して賄い、かつ時分割方式で一本
の光フアイバを往復双方向に有効利用することを
可能とするものである。発光受光兼用半導体素子
は双方向分離用光回路を用いないで一本の光フア
イバを双方向に利用可能とすることの他、発光素
子と受光素子の二つの部品を一つの部品で置換し
かつ関連の光部品点数を著しく低減するなどの利
点をもち、とりわけデータ伝送用の光送受信装置
を簡易化及び経済化する要の素子として注目を集
めて、従来から開発が進められていた。
例えば、昭和53年度電子通信学会総合全国大会
講演論文集第４分冊、65頁に記載の各種GaAs−
GaAlAsLEDの光検知特性の検討や、1978年発行
のエレクトロニクス・レターズ（Electronics
Letters）誌第14巻、553−554頁に記載のGaAs−
GaAlAs LEDにおけるアバランシ増倍の観測な
どが報告されている。また、第４回ヨーロツパ光
通信会議（1978年）において、第３図に示す多層
構造の層厚や不純物ドーピング量を最適化するこ
とによる特性改良が報告されている。
講演論文集第４分冊、65頁に記載の各種GaAs−
GaAlAsLEDの光検知特性の検討や、1978年発行
のエレクトロニクス・レターズ（Electronics
Letters）誌第14巻、553−554頁に記載のGaAs−
GaAlAs LEDにおけるアバランシ増倍の観測な
どが報告されている。また、第４回ヨーロツパ光
通信会議（1978年）において、第３図に示す多層
構造の層厚や不純物ドーピング量を最適化するこ
とによる特性改良が報告されている。
第３図に断面図を示す。従来例では、Ｐ形
GaAsから成る基板２１に液相エピタキシヤル成
長されたＰ形Ga0.65Al0.35As（厚さ1.5μｍ）から
成る閉じ込め層２２、Ｐ形Ga0.92Al0.08As（厚さ
１μｍ）から成り、発光受光機能を有する活性層
２３、ｎ形Ga0.65Al0.35As（厚さ1.5μｍ）から成
る閉じ込め層２４、ｎ形Ga0.8Al0.2As（厚さ2.5
μｍ）から成るウインドウ層２５電極２６，２７
をもつて構成され開口２８を通して信号の入出力
が行なわれる。
GaAsから成る基板２１に液相エピタキシヤル成
長されたＰ形Ga0.65Al0.35As（厚さ1.5μｍ）から
成る閉じ込め層２２、Ｐ形Ga0.92Al0.08As（厚さ
１μｍ）から成り、発光受光機能を有する活性層
２３、ｎ形Ga0.65Al0.35As（厚さ1.5μｍ）から成
る閉じ込め層２４、ｎ形Ga0.8Al0.2As（厚さ2.5
μｍ）から成るウインドウ層２５電極２６，２７
をもつて構成され開口２８を通して信号の入出力
が行なわれる。
しかしながら、上述の従来例では単に発光ダイ
オードが副次的にもつフオトダイオード機能を利
用して構成されていた。このために従来例では発
光ダイオードとしての性能が良くても、受光素子
としてのフオトダイオード性能が不満足であると
いう欠点が見られた。即ち、従来例において、発
光素子としての性能を高め光フアイバへ大きな光
出力を得ようとして、発光領域の直径を小さくす
ると、光フアイバからの出射光を受光素子として
検出する場合に、微小な発光受光領域へ光を有効
に集光する高性能な光学素子と高精度に調整され
た光学系が必要となるという欠点が見られた。
オードが副次的にもつフオトダイオード機能を利
用して構成されていた。このために従来例では発
光ダイオードとしての性能が良くても、受光素子
としてのフオトダイオード性能が不満足であると
いう欠点が見られた。即ち、従来例において、発
光素子としての性能を高め光フアイバへ大きな光
出力を得ようとして、発光領域の直径を小さくす
ると、光フアイバからの出射光を受光素子として
検出する場合に、微小な発光受光領域へ光を有効
に集光する高性能な光学素子と高精度に調整され
た光学系が必要となるという欠点が見られた。
また、共通の発光領域と受光領域をもつことに
起因して、例えば発光動作時に良好な周波数応答
特性が得られるように、発光受光領域の層厚を薄
くした素子では、受光動作時の光吸収が不十分で
あり受光感度が低劣であるとか、あるいは、発光
受光領域の層厚が厚い素子では逆に受光動作時の
受光感度は高いが、発光動作時の周波数応答特性
が劣悪であるなどの不都合が見られる。
起因して、例えば発光動作時に良好な周波数応答
特性が得られるように、発光受光領域の層厚を薄
くした素子では、受光動作時の光吸収が不十分で
あり受光感度が低劣であるとか、あるいは、発光
受光領域の層厚が厚い素子では逆に受光動作時の
受光感度は高いが、発光動作時の周波数応答特性
が劣悪であるなどの不都合が見られる。
本考案の目的は上述の欠点を除去し、光フアイ
バとの結合において高い発光受光結合効率を容易
に得、かつ同時に発光動作時における高い周波数
応答特性を可能とする発光受光兼用半導体素子を
提供することにある。
バとの結合において高い発光受光結合効率を容易
に得、かつ同時に発光動作時における高い周波数
応答特性を可能とする発光受光兼用半導体素子を
提供することにある。
本考案によれば、−族化合物半導体を組成
する二重ヘテロ接合構造を内部に含みかつ素子の
上面に発光受光開口を有する発光受光兼用半導体
素子において、近接する層よりも狭い禁制帯幅を
有する発光受光層の厚さが発光受光波長の光に対
する該発光受光層の減衰定数の逆数よりも大き
く、かつ前記発光受光開口の略中央部の該発光受
光開口よりも狭い領域下に前記発光受光層の内部
へ達する不純物導入により形成された局部的に深
い位置のPn接合を有することを特徴とする発光
受光兼用半導体素子が得られる。
する二重ヘテロ接合構造を内部に含みかつ素子の
上面に発光受光開口を有する発光受光兼用半導体
素子において、近接する層よりも狭い禁制帯幅を
有する発光受光層の厚さが発光受光波長の光に対
する該発光受光層の減衰定数の逆数よりも大き
く、かつ前記発光受光開口の略中央部の該発光受
光開口よりも狭い領域下に前記発光受光層の内部
へ達する不純物導入により形成された局部的に深
い位置のPn接合を有することを特徴とする発光
受光兼用半導体素子が得られる。
次に図面を参照して本考案を詳細に説明する。
第１図及び第２図は、本考案に基づく一実施例の
それぞれ平面図及び側断面図である。本実施例は
−族化合物半導体に属し導電形がｎ形のｎ−
InP単結晶基板11の（100）面上に順次液相エピ
タキシヤル成長された、ノンドーブで導電形がｎ
形の発光波長の光に対する実効的な減衰定数0.5
〜１×104／cmの逆数の数倍の厚さ３μｍのｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２、亜鉛ドープで導電
形がＰ形のＰ−InP層１３及びこれらの層構造の
両面に設けられたｎ側電極１７と発光受光開口１
５を囲むＰ側電極１６とから構成され、発光受光
開口１５の側の面から施され発光受光開口１５の
中央の円形小領域にのみ深く拡散された亜鉛拡散
領域１４とこれによつて形成された深いPn接合
１８ｂを有している。なお図中１８ａは液相エピ
タキシヤル成長時に形成されたｎ−
In0.76Ga0.54As0.55P0.45層１２とＰ−InP層１３と
のヘテロ接合部付近の浅いPn接合を表わす。ｎ
側電極１７及びＰ側電極１６はそれぞれ周知の錫
15％金75％のAu−Sn合金及び亜鉛10％金90％の
Au−Zn合金を使用し真空蒸着法によつて形成さ
れたものである。
第１図及び第２図は、本考案に基づく一実施例の
それぞれ平面図及び側断面図である。本実施例は
−族化合物半導体に属し導電形がｎ形のｎ−
InP単結晶基板11の（100）面上に順次液相エピ
タキシヤル成長された、ノンドーブで導電形がｎ
形の発光波長の光に対する実効的な減衰定数0.5
〜１×104／cmの逆数の数倍の厚さ３μｍのｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２、亜鉛ドープで導電
形がＰ形のＰ−InP層１３及びこれらの層構造の
両面に設けられたｎ側電極１７と発光受光開口１
５を囲むＰ側電極１６とから構成され、発光受光
開口１５の側の面から施され発光受光開口１５の
中央の円形小領域にのみ深く拡散された亜鉛拡散
領域１４とこれによつて形成された深いPn接合
１８ｂを有している。なお図中１８ａは液相エピ
タキシヤル成長時に形成されたｎ−
In0.76Ga0.54As0.55P0.45層１２とＰ−InP層１３と
のヘテロ接合部付近の浅いPn接合を表わす。ｎ
側電極１７及びＰ側電極１６はそれぞれ周知の錫
15％金75％のAu−Sn合金及び亜鉛10％金90％の
Au−Zn合金を使用し真空蒸着法によつて形成さ
れたものである。
本実施例はｎ側電極１７に対するＰ側電極１６
の極性を正負切換えることにより、時分割で発光
素子及び受光素子として使用することができる。
Ｐ側電極１６を正とすれば浅いPn接合１８ａ及
び深いPn接合１８ｂ共に順方向にバイアスされ
ることになり発光受光層としてのｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２へ少数キヤリヤ注入
が行なわれＰ−InP層１３及びｎ−InP層単結晶
基板１１よりも禁制帯幅の狭いｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２の禁制帯幅約0.95eV
に対応して波長1.3μｍの発光が生じる。少数の
キヤリヤ注入は浅いPn接合１８ａを通しても行
なわれるので、浅いPn接合１８ａの領域からも
もちろん発光が見られるが、亜鉛拡散領域１４の
低抵抗性のために、大部分の電流は深いPn接合
１８ｂを通して流れ、実質的な発光は発光受光開
口１５の中央部に設けられた深いPn接合１８ｂ
の領域を中心として行なわれる。
の極性を正負切換えることにより、時分割で発光
素子及び受光素子として使用することができる。
Ｐ側電極１６を正とすれば浅いPn接合１８ａ及
び深いPn接合１８ｂ共に順方向にバイアスされ
ることになり発光受光層としてのｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２へ少数キヤリヤ注入
が行なわれＰ−InP層１３及びｎ−InP層単結晶
基板１１よりも禁制帯幅の狭いｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２の禁制帯幅約0.95eV
に対応して波長1.3μｍの発光が生じる。少数の
キヤリヤ注入は浅いPn接合１８ａを通しても行
なわれるので、浅いPn接合１８ａの領域からも
もちろん発光が見られるが、亜鉛拡散領域１４の
低抵抗性のために、大部分の電流は深いPn接合
１８ｂを通して流れ、実質的な発光は発光受光開
口１５の中央部に設けられた深いPn接合１８ｂ
の領域を中心として行なわれる。
本実施例は十分厚いｎ−In0.76Ga0.24As0.55P0.45
層１２にもかかわらず、発光の主要部分では亜鉛
拡散領域１４における短いキヤリヤ寿命と薄いｎ
形領域の効果、即ち高い注入キヤリヤ密度による
高い発光再結合速度により、発光動作時の高い周
波数応答特性を有している。また、深いPn接合
１８ｂの領域を中心とする狭い発光領域に比べ発
光受光開口１５が大きいので光フアイバとの結合
において後述の通り有利な特徴がある。
層１２にもかかわらず、発光の主要部分では亜鉛
拡散領域１４における短いキヤリヤ寿命と薄いｎ
形領域の効果、即ち高い注入キヤリヤ密度による
高い発光再結合速度により、発光動作時の高い周
波数応答特性を有している。また、深いPn接合
１８ｂの領域を中心とする狭い発光領域に比べ発
光受光開口１５が大きいので光フアイバとの結合
において後述の通り有利な特徴がある。
一方Ｐ側電極１６を負とし浅いPn接合１８ａ
及び深いPn接合１８ｂを共に逆方向にバイアス
すれば、受光時にｎ−In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１
２で発生した電子正孔対はPn接合の逆バイアス
電界によりｎ側電極１７及びＰ側電極１６を通じ
光電流として外部へ取り出される。本実施例では
受光時に光吸収層として働くｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２の厚さが発光受光波
長の光に対する実効的な減衰定数の逆数の数倍と
大きく受光量子効率が60〜80％と通常の発光ダイ
オードを流用した場合に得られる高々30〜40％の
受光量子効率に比べればかなり高い値が得られ
る。
及び深いPn接合１８ｂを共に逆方向にバイアス
すれば、受光時にｎ−In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１
２で発生した電子正孔対はPn接合の逆バイアス
電界によりｎ側電極１７及びＰ側電極１６を通じ
光電流として外部へ取り出される。本実施例では
受光時に光吸収層として働くｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２の厚さが発光受光波
長の光に対する実効的な減衰定数の逆数の数倍と
大きく受光量子効率が60〜80％と通常の発光ダイ
オードを流用した場合に得られる高々30〜40％の
受光量子効率に比べればかなり高い値が得られ
る。
また、面積的には発光受光開口１５の多くを占
める浅いPn接合１８ａの領域は発光動作に対す
る寄与が少いために、亜鉛拡散前のｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２はノンドーブとし受
光動作に好都合な低いキヤリヤ濃度に抑えてい
る。
める浅いPn接合１８ａの領域は発光動作に対す
る寄与が少いために、亜鉛拡散前のｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２はノンドーブとし受
光動作に好都合な低いキヤリヤ濃度に抑えてい
る。
受光動作時には発光動作時と異なり、発光受光
開口１５の下にあるPn接合領域、即ち浅いPn接
合１８ａ及び深いPn接合１８ｂがいずれも有効
に働く。従つて、本実施例を光フアイバとの組合
せで使用する場合には発光動作時の結合効率を中
心に考慮すれば十分であつて、例えば結合レンズ
系の収差等により、光フアイバの光が発光受光開
口１５の中心部へ集光しきれないことがあつても
実質的に効率低下を防ぐことができるという特徴
がある。
開口１５の下にあるPn接合領域、即ち浅いPn接
合１８ａ及び深いPn接合１８ｂがいずれも有効
に働く。従つて、本実施例を光フアイバとの組合
せで使用する場合には発光動作時の結合効率を中
心に考慮すれば十分であつて、例えば結合レンズ
系の収差等により、光フアイバの光が発光受光開
口１５の中心部へ集光しきれないことがあつても
実質的に効率低下を防ぐことができるという特徴
がある。
本実施例の各部寸法は使用対象の光フアイバの
特性に応じて最適にすべきものであるが、コア径
50μｍ用素子の代表例を示すと、ｎ−InP単結晶
基板１１の厚さ70μｍ，ｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２の厚さ３μｍ、Ｐ−
InP層１３の厚さ１μｍ、深いPn接合１８ｂの深
さ3.5μｍ及び直径20μｍ、発光受光開口１５の
直径80μｍ、素子外径0.5mm角、であり、また素
子の切り出しに際して露出するPn接合を保護す
るために深さ約５μｍのメサエツチングと発光受
光開口１５における光の表面反射防止用のSiOコ
ーテイングが施されている。
特性に応じて最適にすべきものであるが、コア径
50μｍ用素子の代表例を示すと、ｎ−InP単結晶
基板１１の厚さ70μｍ，ｎ−
In0.76Ga0.24As0.55P0.45層１２の厚さ３μｍ、Ｐ−
InP層１３の厚さ１μｍ、深いPn接合１８ｂの深
さ3.5μｍ及び直径20μｍ、発光受光開口１５の
直径80μｍ、素子外径0.5mm角、であり、また素
子の切り出しに際して露出するPn接合を保護す
るために深さ約５μｍのメサエツチングと発光受
光開口１５における光の表面反射防止用のSiOコ
ーテイングが施されている。
なお上述の実施例では基板材料として導電形が
ｎ形の半導体を用いたが、もちろんＰ形半導体の
基板を使用し、導電形を反転した構成をとつても
良い。但し、この場合にはＰ形不純物として周知
の亜鉛やカドミウムの替りにイオウ等を用い、導
入方法もイオン注入方式をとらなければならない
であろう。半導体材料についても上述のInP−
InGaAsP系に限らず、必要な波長域に応じGaAs
−GaAlAs系などの−族化合物半導体も使用
することができる。GaAs−GaAlAs系を使用す
る場合には、発光受光層としてGaAsもしくはAl
組相比の小さいGa1-xAlxAs，（０＜ｘ＜１）を用
い、発光受光層の上下をA1組成比の大きい
Ga1-yAlyAs，（０＜ｘ＜ｙ＜１）で挾む形式をと
れば良い。更に電極及び発光受光開口の構成につ
いても上述の実施例に限定されず。例えば、基板
側に発光受光開口を設けた構成としても支障はな
い。但し発光受光波長に対して不透明な、例えば
GaAs−GaAlAs系に対するGaAsなどを基板とし
て素子を作成した場合には、発光受光開口領域部
分の基板をエツチング等により除去することが必
要となる。
ｎ形の半導体を用いたが、もちろんＰ形半導体の
基板を使用し、導電形を反転した構成をとつても
良い。但し、この場合にはＰ形不純物として周知
の亜鉛やカドミウムの替りにイオウ等を用い、導
入方法もイオン注入方式をとらなければならない
であろう。半導体材料についても上述のInP−
InGaAsP系に限らず、必要な波長域に応じGaAs
−GaAlAs系などの−族化合物半導体も使用
することができる。GaAs−GaAlAs系を使用す
る場合には、発光受光層としてGaAsもしくはAl
組相比の小さいGa1-xAlxAs，（０＜ｘ＜１）を用
い、発光受光層の上下をA1組成比の大きい
Ga1-yAlyAs，（０＜ｘ＜ｙ＜１）で挾む形式をと
れば良い。更に電極及び発光受光開口の構成につ
いても上述の実施例に限定されず。例えば、基板
側に発光受光開口を設けた構成としても支障はな
い。但し発光受光波長に対して不透明な、例えば
GaAs−GaAlAs系に対するGaAsなどを基板とし
て素子を作成した場合には、発光受光開口領域部
分の基板をエツチング等により除去することが必
要となる。
最後に本考案が有する利点を要約すれば、通常
の発光ダイオードとほとんど同一の工程で製造可
能であり、電極構造と発光層構造の改良を通じ光
フアイバとの結合において高い総合効率が実現容
易で、かつ周波数応答特性に優れた発光受光兼用
半導体素子が得られることである。
の発光ダイオードとほとんど同一の工程で製造可
能であり、電極構造と発光層構造の改良を通じ光
フアイバとの結合において高い総合効率が実現容
易で、かつ周波数応答特性に優れた発光受光兼用
半導体素子が得られることである。
第１図、第２図はそれぞれ本考案に基づく一実
施例の平面図、及び側断面図である。第３図は従
来例の断面図である。 図中１１……ｎ−InP単結晶基板、１２……ｎ
−In0.76Ga0.24As0.55P0.45層、１３……Ｐ−InP
層、１４……亜鉛拡散領域、１５……発光受光開
口、１６……Ｐ側電極、１７……ｎ側電極、１８
ａ……浅いPn接合、１８ｂ……深いPn接合を表
わす。
施例の平面図、及び側断面図である。第３図は従
来例の断面図である。 図中１１……ｎ−InP単結晶基板、１２……ｎ
−In0.76Ga0.24As0.55P0.45層、１３……Ｐ−InP
層、１４……亜鉛拡散領域、１５……発光受光開
口、１６……Ｐ側電極、１７……ｎ側電極、１８
ａ……浅いPn接合、１８ｂ……深いPn接合を表
わす。
Claims (1)
- −族化合物半導体を組成する二重ヘテロ接
合構造を内部に含みかつ素子の上面に発光受光開
口を有する発光受光兼用半導体素子において、近
接する層よりも狭い禁制帯幅を有する発光受光層
の厚さが発光受光波長の光に対する該発光受光層
の減衰定数の逆数よりも大きく、かつ前記発光受
光開口の略中央部の該発光受光開口よりも狭い領
域下に主たる発光領域を形成すべく前記発光受光
層の内部へ達する不純物導入により形成された局
部的に深い位置のPn接合領域と前記発光受光開
口よりも広い領域下に主たる受光領域を形成する
浅い位置のPn接合領域とを有することを特徴と
する発光受光兼用半導体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5411880U JPS6133658Y2 (ja) | 1980-04-21 | 1980-04-21 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5411880U JPS6133658Y2 (ja) | 1980-04-21 | 1980-04-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56155465U JPS56155465U (ja) | 1981-11-20 |
| JPS6133658Y2 true JPS6133658Y2 (ja) | 1986-10-01 |
Family
ID=29648897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5411880U Expired JPS6133658Y2 (ja) | 1980-04-21 | 1980-04-21 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6133658Y2 (ja) |
-
1980
- 1980-04-21 JP JP5411880U patent/JPS6133658Y2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56155465U (ja) | 1981-11-20 |
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